计算机体系结构的发展.ppt
1.3计算机体系结构的发展,1.3.1 存储程序计算机体系结构及其发展,第一章 计算机体系结构的基本概念,计算机系统按功能划分成,1.存储程序计算机的主要特点,(1)机器以运算器为中心；(2)采用存储程序原理；(3)存储器是按地址访问的、线性编址的空间；(4)控制流由指令流产生；(5)指令由操作码和地址码组成；(6)数据以二进制编码表示，采用二进制运算。,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,2.对体系结构进行的改进,(1)分布的I/O处理能力 以运算器为中心带来了慢速输入输 出操作占用快速运算器的问题。为了解决这一问题，人们提出了各种 输入/输出方式。,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,(2)保护的存储器空间,是否把指令和数据放在同一存储器中？优点:,不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件；程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以 编写出灵活的可修改的程序；对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻址电路，硬件简单；数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地 利用存储空间等。,1.3 计算机体系结构的发展,缺点：,不利于进行程序调试诊断；不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；不利于重叠和流水方式的操作。,现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中不准修改程序。,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,(3)存储器组织结构的发展,相联存储器和相联处理机 通用寄存器 高速缓冲存储器和多级存储器组织结构,(4)并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性？改进CPU的组成,重叠方式 先行控制,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,在体系结构上对某些计算问题实现并行计算。如向量计算 多机并行处理系统 把一个作业(程序)划分成能并行执行的多个任 务(程序段)，把每个任务分配给一个处理机执行。,多操作部件 流水方式,1.3 计算机体系结构的发展,复杂指令集计算机(CISC)精简指令集计算机(RISC),(5)指令集结构的发展 指令集的功能,指令的地址空间和寻址方式 多种灵活的寻址方式。,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,1.3.2 计算机的分代和分型1.计算机到目前为止已经发展了五代 这五代计算机分别具有明显的器件、体系结 构技术和软件技术的特征。2.计算机可以根据价格分为五个档次：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,计算机系统按功能划分成,3.计算机系统性能随时间“下移”,1.3 计算机体系结构的发展,1.3 计算机体系结构的发展,4.根据当前的计算机应用市场的现状和价格特征，通常把计算机分为服务器、桌面系统和嵌入式计 算三大领域。,计算机系统按功能划分成,5.新型体系结构的设计(1)合理地增加计算机系统中硬件的功能比例，这种体系结构对操作系统、高级语言甚至应 用软件提供更多更好的支持；(2)通过多种途径提高计算机体系结构中的并行 性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题 都能并行计算和处理，使这种体系结构和组 成对算法提供更多更好的支持。,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,1.3.3 应用需求的发展 1.计算机的设计受两方面因素的影响2.软件技术最重要的发展趋势(1)程序及数据所使用存储器容量的不断增大；(2)编译器的重要性日益突出，逐渐成为用户 与计算机的主要界面。,计算机现在和未来的使用方法 下层的实现技术,1.3 计算机体系结构的发展,3.计算机技术和市场分化成为桌面计算、服务器 和嵌入式计算三个部分，这三个不同的领域应 用需求的特点对计算机系统设计的影响巨大。,桌面计算市场是销售额最大的市场，是对 性能价格比要求最为苛刻和敏感的市场。服务器市场对计算机的要求是可用性、大 容量和可扩展性。嵌入式计算与解决的应用问题密切相关，需求千差万别。,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,表1.3桌面计算、服务器和嵌入式计算三类应用 领域的一些典型特性,系统价格（美元）每个处理器价格（美元）2000年芯片销售量（片）关键指标,1000-10 000 100-1 000150 000 000性能价格比,10 000-10 000 000 200-2 000 4 000 000可用性、可扩展性,嵌入式计算（只考虑32位和64位）10-100 000 0.2-200 300 000 000随应用领域需求而变化，主要有：成本、功耗、实时性等。,特征,桌面计算,服务器,1.3.4 计算机实现技术的发展,1.现代计算机实现技术的基础核心是以晶体管为 基本单元的平面集成电路2.摩尔定律 集成电路密度大约每两年翻一番。3.内存芯片和Intel微处理器的发展变化,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,图1.7内存芯片密度和Intel微处理器集成度的发展,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,4.四种实现技术对于当代计算机的发展发挥着非 常关键的作用,逻辑电路 半导体DRAM(动态随机访问存储器)磁盘 网络,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,1.3.5 技术的挑战和体系结构的生命周期,1.对计算机系统设计人员的技术挑战 体系结构、设计工具、制造工艺、软件和 应用等多个方面，甚至包括经济的问题。2.集成电路制造中的重要技术指标之一：特征尺寸,1.3 计算机体系结构的发展,型号4004800880808086/80888028680386DX80486DXPentiumPentium ProPentium IIPentium IIIPentium 4,发布日期197119721974197819821985198919931995199719992000,制造工艺PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOSCMOSBiCMOSBiCMOSCMOSCMOSCMOS,特征尺寸（m）1010631.51.51.00.80.350.350.180.18,集成度（晶体管）2 3003 5006 00029 000134 000275 0001 200 0003 100 0005 500 0007 500 00028 000 00042 000 000,工作频率108KHz200kHz2MHz5MHz6MHz16MHz25/33MHz60/66MHz150MHz233MHz500MHz1400MHz,基片面积（mm2）13.515.220.028.668.7104163264310209140224,表1.4Intel公司部分微处理器的部分工艺参数,计算机系统按功能划分成,3.随着特征尺寸减小，挑战首先是功耗。原因：,1.3 计算机体系结构的发展,(1)导致集成电路连线的相对长度增加，单位 长度阻抗也增大，更高的电路工作主频需 要更大的电流来驱动电平的翻转和信号变 化的传递；(2)电路密度增加，导致芯片单位面积功率（功率密度）上升；(3)集成电路在减小特征尺寸的同时，也在减,计算机系统按功能划分成,少电路各层的厚度，从而降低了工作电压；(4)随着特征尺寸的下降，晶体管各个电极之 间的绝缘层性能急剧下降，电极之间漏电 流的问题日益突出；(5)由于现代微处理器中的部件成千上万，而这些部件并不都是同时工作，这就需 要在设计中合理分配电力使用，对于不 工作的部件暂时减低工作性能或者暂停 工作，以减少系统的功耗。,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,图1.8微处理器中的工作电流和漏电流,1.3 计算机体系结构的发展,4.在设计上将面临的问题：微处理器芯片正确性验证复杂性成倍上升.5.从经济角度看问题和从技术角度看问题往往 是不同的6.一个计算机体系结构，从产生到消亡，大致 需要1520年的时间。,1.3 计算机体系结构的发展,图1.9体系结构的生命周期,
